工业机器人定位精度检测
工业机器人定位精度：精准丈量，赋能生产
在现代工业制造的浩瀚星河中，工业机器人以其精准、高效、重复性强的特性，早已成为不可或缺的核心力量。它们承担着焊接、装配、搬运、喷涂等一系列高强度、高要求的任务。而这些任务的成败，很大程度上取决于工业机器人定位精度。一个毫厘之差，就可能导致产品报废、生产线停滞，甚至引发安全事故。因此，对工业机器人定位精度进行严谨、科学的检测，是确保生产质量、提升竞争力的基石。
那么，什么是工业机器人的定位精度？它又该如何检测？这其中蕴含着不少学问，绝非简单的“指哪打哪”就能概括。
什么是工业机器人的定位精度？
简单来说，工业机器人的定位精度，是指机器人实际到达目标位置的能力，与指令设定的目标位置之间的偏差。这并非一个单一的数值，而是包含多个维度和概念的综合体现。我们可以将其分解为以下几个关键指标：
重复定位精度 (Repeatability): 这是衡量机器人多次执行相同指令后，实际末端执行器（例如夹爪、焊枪）能够回到同一位置的能力。它反映了机器人系统（包括控制器、驱动器、机械结构、传感器等）的稳定性、刚性和控制精度。重复定位精度通常用一个较小的数值表示，例如±0.05mm。这是一个非常关键的指标，因为大多数工业机器人任务都要求高重复性，例如重复焊接同一个点。
绝对定位精度 (Absolute Accuracy): 这是指机器人根据其内部坐标系，将末端执行器移动到某个绝对三维空间点（即真实世界坐标系中的点）的能力。这个指标相对更难达到，因为它需要机器人对其自身工作空间建立精确的模型，并能够将自身坐标系与外部世界坐标系进行准确的对齐（标定）。绝对定位精度通常比重复定位精度要大，因为它包含了重复定位精度以及由于系统误差、标定误差等带来的偏差。
路径精度 (Path Accuracy): 在机器人执行一个连续的运动轨迹时，实际路径与预设路径之间的偏差。这在喷涂、激光切割等需要精确轨迹的任务中至关重要。
姿态精度 (Pose Accuracy): 除了位置，机器人的末端执行器还有一个姿态（即方向）。姿态精度是指机器人实际姿态与指令姿态之间的偏差。这在需要精确对准工件或工具的场合非常重要。
为什么检测工业机器人的定位精度如此重要？
工业机器人的定位精度直接关系到：
产品质量： 精度差的机器人可能导致焊接不牢固、装配不到位、喷涂厚度不均等问题，直接影响产品性能和可靠性。
生产效率： 机器人需要反复执行任务，如果每次定位都有偏差，可能需要人工干预调整，降低了自动化程度和生产效率。
生产成本： 产品不良率的升高意味着材料和能源的浪费，返工和报废都会增加生产成本。
生产线的稳定性： 精度不稳定的机器人可能导致整个生产线的节拍被打乱，甚至出现设备故障。
安全性： 在某些危险作业中，机器人定位不准可能导致碰撞，威胁到人员和设备安全。
工业机器人定位精度检测的常用方法
对工业机器人进行定位精度的检测，需要一套科学、系统化的方法和工具。以下是一些常用的检测方法，它们各有侧重，常常需要结合使用：
1. 使用高精度测量设备：
这是最直接、最常用的方法。通过与机器人末端执行器进行对比，来量化其定位偏差。
三坐标测量机 (CMM): CMM是精度最高的尺寸测量设备之一，可以提供极高的测量精度。将机器人末端执行器（例如安装一个特殊的探针）移动到CMM的测量区域，通过CMM的探针接触预设的测量点，记录实际坐标。对比指令坐标与测量坐标，即可得出定位偏差。
操作流程：
1. 标定CMM： 确保CMM本身的工作精度。
2. 安装测量探针： 将一个已知几何形状的探针安装到机器人末端执行器上。
3. 设定测量点： 在机器人工作空间内，根据其运动范围和任务需求，设定一系列三维空间测量点。这些点可以是特征点（如圆柱的中心），也可以是空间中的任意点。
4. 机器人移动： 编写机器人程序，使其末端执行器上的探针依次移动到预设的测量点。
5. CMM测量： CMM自动或手动测量探针到达的实际位置。
6. 数据分析： 对比机器人编程的指令位置与CMM测量的实际位置，计算出x、y、z轴的偏差，以及姿态偏差（如果CMM支持）。
7. 重复测试： 为了评估重复定位精度，需要重复多次执行相同的移动指令，并进行测量和分析。
优点： 精度极高，能够提供详细的三维位置和姿态信息。
缺点： 检测周期长，成本较高，测量区域受CMM限制，操作相对复杂。
激光跟踪仪 (Laser Tracker): 激光跟踪仪通过发射激光束，并跟踪反射器（安装在机器人末端执行器上）的运动，实时测量其三维位置。
操作流程：
1. 设备设置： 将激光跟踪仪固定在稳定位置，对准机器人工作空间。
2. 反射器安装： 将反射器（如球形反射器）固定在机器人末端执行器上。
3. 标定： 跟踪仪需要与机器人坐标系进行一次标定，建立起两者之间的关系。这通常需要测量机器人本体上的几个已知点。
4. 机器人运动： 机器人按照预设轨迹或点位移动。
5. 数据采集： 激光跟踪仪实时记录反射器在三维空间中的位置。
6. 数据分析： 将跟踪仪记录的实际位置与机器人指令位置进行比对，计算偏差。
优点： 测量范围大，精度高，可以实现动态测量，适合大范围的机器人。
缺点： 成本高昂，对环境光线和障碍物敏感，需要专业操作人员。
光学坐标测量系统 (Optical Coordinate Measuring System): 这类系统通常包含多个摄像头，通过捕捉末端执行器上特定标记（如LED灯或反射点）的二维图像，然后进行三维重建，从而获得末端执行器的位置和姿态。
操作流程：
1. 标记安装： 在机器人末端执行器上安装光学标记。
2. 系统设置： 布置摄像头，并对系统进行标定，建立相机与机器人工作空间之间的关系。
3. 机器人运动： 机器人执行预设的运动。
4. 图像采集与处理： 摄像头采集标记的图像，系统软件进行图像识别和三维重建。
5. 数据分析： 将计算出的实际位置与指令位置进行比较。
优点： 相对激光跟踪仪成本较低，易于安装，可以进行多点同时测量。
缺点： 精度可能略低于激光跟踪仪和CMM，对环境光照和视野有要求。
2. 使用机器人自带的内部反馈：
现代机器人控制器会记录轴编码器的反馈信息，这些信息可以用来推算末端执行器的位置。然而，这种方法依赖于机器人内部的运动学模型和标定精度，通常只能提供一个初步的评估，或者作为其他方法的补充。
3. 使用专用检测工具和方法：
量规 (Gauges) 和专用夹具： 对于某些特定的检测任务，例如检测机器人对准特定孔洞或连接器的能力，可以使用定制的量规或夹具。机器人将工具插入或接触夹具上的特定部位，通过观察是否匹配来评估精度。
接触式传感器： 在机器人末端执行器上安装能够感知接触的传感器，当机器人尝试触碰一个已知位置的物体时，通过传感器的触发信号来判断是否到达了目标位置。
视觉测量： 在某些应用中，可以通过机器人的摄像头或外部摄像头对机器人末端执行器的位置进行视觉识别，并与目标位置进行比对。例如，机器人抓取一个具有特定视觉标记的工件，然后检测标记的位置。
如何进行有效的机器人定位精度检测？
仅仅了解方法是不够的，有效的检测还需要遵循一些原则：
明确检测目标： 首先要清楚检测是为了评估重复定位精度、绝对定位精度，还是路径精度，以及所需的精度等级。这将决定选择哪种检测方法和设备。
科学设定测量点： 测量点的选择应该具有代表性，覆盖机器人工作空间的各个区域，包括轴的极限位置、常用工作点以及关键的运动轨迹。
保证环境稳定： 检测环境的温度、湿度、振动等因素都会影响测量结果，应尽量保持稳定。
规范操作流程： 严格按照检测规程进行操作，确保每次测量的可比性。
建立完整的数据库： 对每次检测的结果进行记录和存档，建立机器人的精度基线，便于后续的跟踪和维护。
定期复检： 工业机器人在使用过程中，由于磨损、碰撞、参数漂移等原因，其定位精度会逐渐下降。因此，需要建立定期的复检机制，及时发现和纠正精度偏差。
结合多种方法： 通常情况下，单一的检测方法可能无法完全反映机器人的精度状况，建议结合多种方法进行综合评估。
关注关键参数： 对于不同的应用场景，需要关注不同的精度参数。例如，在弧焊机器人中，路径精度和姿态精度尤为重要。
总结
工业机器人的定位精度检测，是一个严谨而细致的系统工程。它不仅是评估机器人性能的关键环节，更是保障生产效率、产品质量和企业竞争力的重要手段。通过选择合适的检测设备，遵循科学的检测方法，并建立完善的检测流程，我们可以更精确地“丈量”工业机器人的每一次“落点”，确保它们在智能制造的舞台上，精准无误地扮演好自己的角色，为工业的进步注入源源不断的动力。
随着技术的不断发展，机器人定位精度的检测方法也在持续创新，例如利用机器学习进行预测性维护，或是在线实时监控等，这些都将进一步提升检测的效率和准确性，为工业自动化保驾护航。
在现代工业制造的浩瀚星河中，工业机器人以其精准、高效、重复性强的特性，早已成为不可或缺的核心力量。它们承担着焊接、装配、搬运、喷涂等一系列高强度、高要求的任务。而这些任务的成败，很大程度上取决于工业机器人定位精度。一个毫厘之差，就可能导致产品报废、生产线停滞，甚至引发安全事故。因此，对工业机器人定位精度进行严谨、科学的检测，是确保生产质量、提升竞争力的基石。
那么，什么是工业机器人的定位精度？它又该如何检测？这其中蕴含着不少学问，绝非简单的“指哪打哪”就能概括。
什么是工业机器人的定位精度？
简单来说，工业机器人的定位精度，是指机器人实际到达目标位置的能力，与指令设定的目标位置之间的偏差。这并非一个单一的数值，而是包含多个维度和概念的综合体现。我们可以将其分解为以下几个关键指标：
重复定位精度 (Repeatability): 这是衡量机器人多次执行相同指令后，实际末端执行器（例如夹爪、焊枪）能够回到同一位置的能力。它反映了机器人系统（包括控制器、驱动器、机械结构、传感器等）的稳定性、刚性和控制精度。重复定位精度通常用一个较小的数值表示，例如±0.05mm。这是一个非常关键的指标，因为大多数工业机器人任务都要求高重复性，例如重复焊接同一个点。
绝对定位精度 (Absolute Accuracy): 这是指机器人根据其内部坐标系，将末端执行器移动到某个绝对三维空间点（即真实世界坐标系中的点）的能力。这个指标相对更难达到，因为它需要机器人对其自身工作空间建立精确的模型，并能够将自身坐标系与外部世界坐标系进行准确的对齐（标定）。绝对定位精度通常比重复定位精度要大，因为它包含了重复定位精度以及由于系统误差、标定误差等带来的偏差。
路径精度 (Path Accuracy): 在机器人执行一个连续的运动轨迹时，实际路径与预设路径之间的偏差。这在喷涂、激光切割等需要精确轨迹的任务中至关重要。
姿态精度 (Pose Accuracy): 除了位置，机器人的末端执行器还有一个姿态（即方向）。姿态精度是指机器人实际姿态与指令姿态之间的偏差。这在需要精确对准工件或工具的场合非常重要。
为什么检测工业机器人的定位精度如此重要？
工业机器人的定位精度直接关系到：
产品质量： 精度差的机器人可能导致焊接不牢固、装配不到位、喷涂厚度不均等问题，直接影响产品性能和可靠性。
生产效率： 机器人需要反复执行任务，如果每次定位都有偏差，可能需要人工干预调整，降低了自动化程度和生产效率。
生产成本： 产品不良率的升高意味着材料和能源的浪费，返工和报废都会增加生产成本。
生产线的稳定性： 精度不稳定的机器人可能导致整个生产线的节拍被打乱，甚至出现设备故障。
安全性： 在某些危险作业中，机器人定位不准可能导致碰撞，威胁到人员和设备安全。
工业机器人定位精度检测的常用方法
对工业机器人进行定位精度的检测，需要一套科学、系统化的方法和工具。以下是一些常用的检测方法，它们各有侧重，常常需要结合使用：
1. 使用高精度测量设备：
这是最直接、最常用的方法。通过与机器人末端执行器进行对比，来量化其定位偏差。
三坐标测量机 (CMM): CMM是精度最高的尺寸测量设备之一，可以提供极高的测量精度。将机器人末端执行器（例如安装一个特殊的探针）移动到CMM的测量区域，通过CMM的探针接触预设的测量点，记录实际坐标。对比指令坐标与测量坐标，即可得出定位偏差。
操作流程：
1. 标定CMM： 确保CMM本身的工作精度。
2. 安装测量探针： 将一个已知几何形状的探针安装到机器人末端执行器上。
3. 设定测量点： 在机器人工作空间内，根据其运动范围和任务需求，设定一系列三维空间测量点。这些点可以是特征点（如圆柱的中心），也可以是空间中的任意点。
4. 机器人移动： 编写机器人程序，使其末端执行器上的探针依次移动到预设的测量点。
5. CMM测量： CMM自动或手动测量探针到达的实际位置。
6. 数据分析： 对比机器人编程的指令位置与CMM测量的实际位置，计算出x、y、z轴的偏差，以及姿态偏差（如果CMM支持）。
7. 重复测试： 为了评估重复定位精度，需要重复多次执行相同的移动指令，并进行测量和分析。
优点： 精度极高，能够提供详细的三维位置和姿态信息。
缺点： 检测周期长，成本较高，测量区域受CMM限制，操作相对复杂。
激光跟踪仪 (Laser Tracker): 激光跟踪仪通过发射激光束，并跟踪反射器（安装在机器人末端执行器上）的运动，实时测量其三维位置。
操作流程：
1. 设备设置： 将激光跟踪仪固定在稳定位置，对准机器人工作空间。
2. 反射器安装： 将反射器（如球形反射器）固定在机器人末端执行器上。
3. 标定： 跟踪仪需要与机器人坐标系进行一次标定，建立起两者之间的关系。这通常需要测量机器人本体上的几个已知点。
4. 机器人运动： 机器人按照预设轨迹或点位移动。
5. 数据采集： 激光跟踪仪实时记录反射器在三维空间中的位置。
6. 数据分析： 将跟踪仪记录的实际位置与机器人指令位置进行比对，计算偏差。
优点： 测量范围大，精度高，可以实现动态测量，适合大范围的机器人。
缺点： 成本高昂，对环境光线和障碍物敏感，需要专业操作人员。
光学坐标测量系统 (Optical Coordinate Measuring System): 这类系统通常包含多个摄像头，通过捕捉末端执行器上特定标记（如LED灯或反射点）的二维图像，然后进行三维重建，从而获得末端执行器的位置和姿态。
操作流程：
1. 标记安装： 在机器人末端执行器上安装光学标记。
2. 系统设置： 布置摄像头，并对系统进行标定，建立相机与机器人工作空间之间的关系。
3. 机器人运动： 机器人执行预设的运动。
4. 图像采集与处理： 摄像头采集标记的图像，系统软件进行图像识别和三维重建。
5. 数据分析： 将计算出的实际位置与指令位置进行比较。
优点： 相对激光跟踪仪成本较低，易于安装，可以进行多点同时测量。
缺点： 精度可能略低于激光跟踪仪和CMM，对环境光照和视野有要求。
2. 使用机器人自带的内部反馈：
现代机器人控制器会记录轴编码器的反馈信息，这些信息可以用来推算末端执行器的位置。然而，这种方法依赖于机器人内部的运动学模型和标定精度，通常只能提供一个初步的评估，或者作为其他方法的补充。
3. 使用专用检测工具和方法：
量规 (Gauges) 和专用夹具： 对于某些特定的检测任务，例如检测机器人对准特定孔洞或连接器的能力，可以使用定制的量规或夹具。机器人将工具插入或接触夹具上的特定部位，通过观察是否匹配来评估精度。
接触式传感器： 在机器人末端执行器上安装能够感知接触的传感器，当机器人尝试触碰一个已知位置的物体时，通过传感器的触发信号来判断是否到达了目标位置。
视觉测量： 在某些应用中，可以通过机器人的摄像头或外部摄像头对机器人末端执行器的位置进行视觉识别，并与目标位置进行比对。例如，机器人抓取一个具有特定视觉标记的工件，然后检测标记的位置。
如何进行有效的机器人定位精度检测？
仅仅了解方法是不够的，有效的检测还需要遵循一些原则：
明确检测目标： 首先要清楚检测是为了评估重复定位精度、绝对定位精度，还是路径精度，以及所需的精度等级。这将决定选择哪种检测方法和设备。
科学设定测量点： 测量点的选择应该具有代表性，覆盖机器人工作空间的各个区域，包括轴的极限位置、常用工作点以及关键的运动轨迹。
保证环境稳定： 检测环境的温度、湿度、振动等因素都会影响测量结果，应尽量保持稳定。
规范操作流程： 严格按照检测规程进行操作，确保每次测量的可比性。
建立完整的数据库： 对每次检测的结果进行记录和存档，建立机器人的精度基线，便于后续的跟踪和维护。
定期复检： 工业机器人在使用过程中，由于磨损、碰撞、参数漂移等原因，其定位精度会逐渐下降。因此，需要建立定期的复检机制，及时发现和纠正精度偏差。
结合多种方法： 通常情况下，单一的检测方法可能无法完全反映机器人的精度状况，建议结合多种方法进行综合评估。
关注关键参数： 对于不同的应用场景，需要关注不同的精度参数。例如，在弧焊机器人中，路径精度和姿态精度尤为重要。
总结
工业机器人的定位精度检测，是一个严谨而细致的系统工程。它不仅是评估机器人性能的关键环节，更是保障生产效率、产品质量和企业竞争力的重要手段。通过选择合适的检测设备，遵循科学的检测方法，并建立完善的检测流程，我们可以更精确地“丈量”工业机器人的每一次“落点”，确保它们在智能制造的舞台上，精准无误地扮演好自己的角色，为工业的进步注入源源不断的动力。
随着技术的不断发展，机器人定位精度的检测方法也在持续创新，例如利用机器学习进行预测性维护，或是在线实时监控等，这些都将进一步提升检测的效率和准确性，为工业自动化保驾护航。
网友意见
逻辑上先看标准，再聊方法，最后选设备。
工业机器人的性能指标测试主要看ISO9283，如果英文觉得读的麻烦，全文翻译看GB-T12642。基本上二者一一对应。
重复精度（RP）字面意思就是重复到达某一点的精度，包括位置和姿态，我们通常说的重复精度±0.0几毫米指的就是位置。
实际测试中标准会做一些更细的规定，以便具体实施，比如：
- 测量负载为100%，但是50%和10%也会作为辅助测试项目
- 测量区域为机器人经常使用的区域，这个其实就比较模糊了，可以选一个比较舒服的区域
- 测试点为5个，循环测试的路径会是重复的P1~P5，因此每次到达测试点的方向是一致的
- 测量测试为30次
等等一些诸如此类的规定，但是也会有一些模糊的地方，标准只是告诉你怎么测这些指标，至于你负载多大，工作范围的选择，寿命对精度的影响等等是不做更多的限制的。
当获得30组数据之后，聪明的你一定会发现，只要把这30个点的坐标标出来然后画一个球把这些点包络住，然后取这个球的半径就是RP啦。像下面这个图一样。
实际标准里给出的方法是均值加三倍的标准差的方法，考虑到机器人到达点位的误差符合正态分布，所以RP的计算公式如下：
可以看出来 l 就是位置的平均偏差，S就是均方差，最终这个球的半径等于均值加三倍的标准差。这种处理方法虽然不是直接的把30个点位都包络进去，但是这种从统计学角度出发的做法，既方便计算，也符合机器人的应用情况。
如果明白了测试方式后，事情就简单了，只需要有精度足够的机器测量出机器人运动末端的位置和姿态就可以了。
激光跟踪仪可以选的品牌有：Leica, FARO,API,Nikon等等，激光跟踪仪可以追踪放在机器人末端的反光球，然后输出一系列的坐标值，有了这些坐标值就可以做很多的工作了，不仅仅是RP的测量，还可以做振动分析，加减速曲线，路径精度等等，好玩的东西很多。
激光跟踪仪价格100到200万不等，不过现在也有很多检测商提供激光跟踪仪的测试和数据分析服务，如果按次收费还是可以接受的。机器人行业用的最多的应该是Leica AT901之类，FARO之前也有朋友公司测过，数据看下来也没什么问题。
收藏31次，只有15个赞，能不能好好玩耍了
关注我，带你了解如何设计工业机器人
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